鈦粉的最小點火能

董海佩，程貴海，李曉泉，徐中慧

（1.廣西大學資源與冶金學院，廣西南寧 530004；2.西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽 621010）

鈦粉主要用于制取粉末冶金零件的原料，還用于電真空中固體泵源的原料、電真空吸氣劑、塑料充填劑、表面涂裝材料、飛機零部件和制取各種鈦化合物的原料[1]，應用領域十分廣泛。鈦粉易發生氧化、燃燒、爆炸，屬于危險品，因此研究鈦粉的最小點火能很有意義。點火能量對粉塵爆炸行為有顯著的影響[2-3]。最小點火能（Emin）是指能引起一定質量濃度可燃物燃燒或爆炸所需的最低能量值[4]，也是判定粉塵對電火花敏感程度的一個重要指標[5]，因此確定粉塵最小點火能是最經濟、合理的預防粉塵爆炸的方法[6]。為了預防和減輕粉塵爆炸的危害，學者們對多種可燃粉塵的最小點火能進行了研究[7-15]。2004年，Choi等[7]對聚合物涂層粉塵的最小點火能進行研究。2006年，Erlend等[8]對最小點火能小于1 mJ的粉塵進行了研究。2014年，苑春苗等[9]對納米鈦的最小點火能進行測量，并研究氧化鈦對其惰化效果。除此之外，還有學者研究了粉塵濕度、溫度等對最小點火能的影響[10-11]。對粉塵最小點火能的研究，大多是將噴塵壓力和紊流指數取某一固定值，研究粉塵粒徑、質量濃度對最小點火能的影響，然而，在不同的噴塵壓力和紊流指數下，測得的點火能量不同。當自變量取某一固定值時，測得最小點火能最小，則稱該固定值為自變量對應的敏感值，因此，根據最不利原則，本文選取噴塵壓力和紊流指數為敏感值的實驗數據，對點火能量隨鈦粉粒徑和質量濃度變化的函數進行擬合，更具有可靠性。

1 實驗

1.1 裝置

實驗裝置為1.2 L哈特曼管式粉塵最小點火能測定裝置，如圖1所示。

圖1 哈特曼管結構示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of Hartmann tube

1.2 原料

以中位粒徑分別為 18、25、38、48、74 μm 的5種球形鈦粉作為樣品。鈦粉燃燒現象劇烈，有黑色濃煙產生，發出耀眼白光，燃燒后有白色固體粉末生成。

1.3 操作規則

粉塵云最小點火能的測試值受諸多因素的影響[16]，可控變量為粉塵質量（即粉塵質量濃度）、噴塵壓力、點火延遲時間、電極間距。噪聲變量為實驗室濕度、溫度、粉塵干燥程度。本文中探討的最小點火能的影響因素為粉塵質量、噴塵壓力、點火延遲時間。為了降低其他變量的影響，僅在實驗室相對濕度為50%～70%、溫度為15～25℃的情況下進行試驗，鈦粉在實驗前進烘箱50℃干燥12 h，電極間距固定為6 mm。本實驗嚴格按照GB/T 16428—1996進行操作。將不滿足連續20次未燃燒的最低值視為最小點火能。

實驗操作步驟如下。

1）取某一粒徑的鈦粉0.6 g，即質量濃度為500 g/m3，噴塵壓力設為150 kPa，紊流指數設為60 ms，開始實驗。

2）以30 ms的整數倍為步長調節紊流指數，直至分別找出不同紊流指數下點火能量（E）i的最小值。

3）以30 kPa的整數倍為步長調節噴塵壓力，在每個固定的噴塵壓力下重復步驟2），直至分別找出不同噴塵壓力和紊流指數下點火能量的最小值，并記錄。

4）以50 g/m3的整數倍為步長調節鈦粉質量濃度，在每個固定質量濃度下重復步驟3），直至分別找出不同質量濃度下點火能量的最小值，并記錄。

5）更換另一粒徑的鈦粉，重復以上5個步驟進行實驗，直至5種粒徑的鈦粉均完成實驗。

2 結果與分析

記錄實驗結果，各粒徑的最小點火能，及其對應的鈦粉質量濃度、噴塵壓力、紊流指數取值如表1所示。

表1 不同粒徑鈦粉的實驗結果Tab.1 Experimental results of titanium powder with different particle size

2.1 鈦粉質量濃度的影響

當噴塵壓力和紊流指數均處于敏感值時，5種粒徑鈦粉的點火能量隨質量濃度變化的規律如圖2所示。對圖2的數據進行擬合，擬合結果如表2所示。由圖2可知，隨著鈦粉質量濃度的增大，點火能先減小后增大。這是由于鈦粉質量濃度較低時，鈦粉顆粒間距大，顆粒間傳熱需要較高的能量。增大鈦粉質量濃度使得單位體積內參與反應的鈦粉顆粒增大，顆粒間距減小，傳熱路徑縮短，導致反應速率加快，產生的熱量進一步傳遞給未著火的鈦粉顆粒，增大了火焰傳播的速率，因此所需點火能量減小。然而，當質量濃度大于敏感質量濃度時，繼續增大鈦粉質量濃度使氧氣含量相對不足，參與反應的鈦粉顆粒反而減少。另一方面，電極周圍過多的鈦粉顆粒吸收了一部分電極能量，使得引燃鈦粉所需能量增大，導致點火能量增大。

圖2 質量濃度對點火能的影響Fig.2 Effect of concentration on ignition energy

表2 猛度參數關于粉塵質量濃度的擬合結果Tab.2 Fitting results of ignition energy on concentration

2.2 鈦粉粒徑的影響

圖3 粒徑對敏感質量濃度的影響Fig.3 Effect of particle size on sensitivity concentration

鈦粉質量濃度敏感值隨鈦粉粒徑的變化規律如圖3所示。由圖可知，鈦粉的敏感質量濃度與鈦粉粒徑呈正相關。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒更易熱解為可燃氣體，粒徑偏大的粉塵顆粒如需熱解產生質量濃度相當的可燃氣體，就需要質量濃度更高的鈦粉，因此，鈦粉的敏感質量濃度隨中位粒徑的增大而增大。

當鈦粉質量濃度、噴塵壓力和紊流指數均處于敏感值時，最小點火能隨粒徑的變化規律如圖4所示。其擬合曲線為

圖4 粒徑對最小點火能的影響Fig.4 Effect of particle size on Emin

由圖4可知，最小點火能隨粒徑的增大以二次函數的形式增大。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒比表面積較大，和氧氣接觸面積偏大，反應速率更快，產生的熱量進一步傳遞給未著火的鈦粉顆粒，增大了火焰傳播的速率，因此最小點火能減小。

2.3 噴塵壓力和紊流指數的敏感值變化規律

5種粒徑的鈦粉在其敏感質量濃度下，紊流指數敏感值隨噴塵壓力的變化規律如圖5所示。

圖5 噴塵壓力對紊流指數敏感值的影響Fig.5 Effect of pressure sensitive value of turbulence

由圖5可知，其一，同一粒徑時，紊流指數敏感值與噴塵壓力呈負相關。這是由于增大噴塵壓力，使鈦粉顆粒獲得更高的動能，顆粒運動速度更快，到達電極附近的所需時間更短，電極附近的粉塵質量濃度在更短的時間內達到最佳，因此紊流指數敏感值減小。其二，當噴塵壓力保持不變時，粒徑越大，紊流指數敏感值越大。這是由于鈦粉敏感質量濃度隨粒徑的增大而增大，若噴塵壓力固定而鈦粉質量濃度增大，每個鈦粉顆粒所獲得的動能減少，運動速度減慢，電極附近達到最佳質量濃度所需的時間增長，因此紊流指數敏感值增大。反之，紊流指數不變，鈦粉粒徑越大，噴塵壓力敏感值越大。這是由于紊流指數固定而鈦粉質量濃度敏感值隨粒徑增大，更多的鈦粉顆粒需要更大的噴塵壓力才能保證原先的運動速度，使電極附近的粉塵質量濃度在相同的時間內達到最佳，因此噴塵壓力敏感值增大。

2.4 鈦粉粒徑和質量濃度綜合影響

噴塵壓力、紊流指數為實驗室自變量，二者為敏感值的情況下粉塵顆粒達到最佳紊流狀態，但在工業生產中并不存在。而粉塵的粒徑范圍、質量濃度在工業生產中是可測、可控的，因此本文選取噴塵壓力和紊流指數處于敏感值的33組實驗數據，對鈦粉粒徑和質量濃度對爆炸猛度的影響進行函數擬合，擬合函數為

擬合函數曲線如圖6所示。

圖6 粒徑和質量濃度對點火能量的影響Fig.6 Effect of particle size and concentration on ignition energy

由圖可知，點火能量隨鈦粉粒徑的增大增幅越來越大，隨鈦粉質量濃度的增大先減后增，與上文中點火能量受鈦粉粒徑和質量濃度單因素影響的擬合曲線相吻合。的敏感質量濃度分別為 700、750、800、800、850 g/m3，最小點火能分別為 33.2、38.1、41.3、44.3、67.4 mJ。

3 結論

1）中位粒徑為 18、25、38、48、74 μm 的鈦粉對應

2）點火能量隨鈦粉質量濃度的增大以二次函數的形式先減后增，隨粒徑的增大以二次函數的形式增大。鈦粉的敏感質量濃度與鈦粉粒徑呈正相關。

3）紊流指數敏感值與噴塵壓力呈負相關。噴塵壓力不變，粒徑越大，紊流指數敏感值越大。紊流指數不變，鈦粉粒徑越大，噴塵壓力敏感值越大。

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